一種基于FPGA的分布式光纖檢測系統(tǒng)的設(shè)計

傳統(tǒng)的光纖檢測系統(tǒng)大都是基于MCU架構(gòu)來實現(xiàn)的，雖然MCU系統(tǒng)或DSP處理器在數(shù)字信號處理方面功能強(qiáng)大，但難以完成大量實時數(shù)據(jù)的采集，因采樣點少帶來的測量誤差會累積到測試結(jié)果。本設(shè)計基于光纖系統(tǒng)的檢測原理，設(shè)計一種快速光纖檢測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用FPGA做數(shù)據(jù)處理，可以實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)的采集。

光纖通信是用光纖作為傳輸介質(zhì)，以光波作為載波來實現(xiàn)信息傳輸，從而達(dá)到通信目的的一種新通信技術(shù)。與傳統(tǒng)的電氣通信相比，光纖傳感技術(shù)具有精度和靈敏度高、抗電磁干擾、壽命長、耐腐蝕、成本低、光纖傳輸損耗極低，傳輸距離遠(yuǎn)等突出優(yōu)點。

雖然光纖通信具有以上突出的優(yōu)點，但本身存在的缺陷也不容忽視，比如：光纖的質(zhì)地脆，容易斷裂、機(jī)械強(qiáng)度差，彎曲不能過小;供電困難;分路、耦合不靈活;光纖的切斷和連接需要特定的工具或設(shè)備等。城建施工、洪水侵襲、人為破壞、地殼運(yùn)動等人為行為或者天災(zāi)的破壞，都很容易造成光纖線路的故障。如何有效地保證光纖通信系統(tǒng)的可靠性，一直是一個有待解決的技術(shù)難題。本設(shè)計在光纖通信的基礎(chǔ)之上，通過對光纖通信監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究。以FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MCU架構(gòu)完成數(shù)據(jù)的采集和處理，能完成高速的實時數(shù)據(jù)采集，測量誤差小，工作可靠性高。

1 光纖通信系統(tǒng)的測量原理

目前的光纖測量中，主要是要測量光纖的損耗和斷點。主要基于瑞利散射和菲涅爾反射兩種光學(xué)現(xiàn)象來進(jìn)行測量。瑞利散射是光纖材料本身固有的性質(zhì)，由于光纖內(nèi)部含有的雜質(zhì)、纖核添加物等產(chǎn)生漫反射，其中部分向后散射形成瑞利背向散射，光纖整個長度上都呈現(xiàn)這種現(xiàn)象。而菲涅爾反射它只是發(fā)生在光纖接觸到空氣時或發(fā)生在諸如機(jī)械的連接接縫處。因此，光纖損耗的測量所依據(jù)的主要是瑞利散射原理;光纖斷點的測量所依據(jù)的主要原理是菲涅爾反射。

瑞利散射損耗可用下式進(jìn)行近似計算：

式(1)中，λ以um為單位，A、B是與石英和摻雜材料有關(guān)的常數(shù)。

菲涅爾反射光的信號強(qiáng)度與反射面狀況和傳輸光的功率相關(guān)。對于來自光纖上L點處的菲涅爾反射光，在光纖注入端測得的光功率Pf(L)為：

以上公式中，L為菲涅爾反射處距離光注入端的距離，R為光纖中L處的功率反射系數(shù)，P0為注入光纖的峰值功率，β為光纖衰減常數(shù)。

2 硬件設(shè)計

如圖1所示為系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖。由脈沖器產(chǎn)生的電脈沖，驅(qū)動光源模塊產(chǎn)生光脈沖，經(jīng)方向耦合器射入待測光纖。射入光纖的光脈沖，由于光纖材料本身固有的性質(zhì)會產(chǎn)生瑞利散射光，連同遇到不平整光纖端面會產(chǎn)生菲涅爾反射光，一起反射回方向耦合器、射至光電二極管，轉(zhuǎn)換成電脈沖。轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)由放大器和 A/D轉(zhuǎn)換處理后送入數(shù)據(jù)處理模塊，由于此項反射光強(qiáng)度微弱，故需反復(fù)傳送、收集并進(jìn)行放大和平均處理。OTDR利用其激光光源向被測光纖反復(fù)發(fā)送光脈沖來實現(xiàn)測量。

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要包括主控制器FPGA、AD轉(zhuǎn)換器及 SRAM存儲器;主要完成對實時數(shù)據(jù)的采集與處理。本設(shè)計采用FPGA芯片為EP3C35Q240C8共有240個引腳，分為8個bank，分布于芯片的四周，但是并非全部的引腳都是可以隨意使用的，只有是L/O接口的引腳才是芯片內(nèi)部可分配。這些接口用來提供給復(fù)位，ADC芯片和SDRAM數(shù)據(jù)存儲和控制信號。

當(dāng)一個設(shè)計完成后，需要把設(shè)計下載到FPGA中運(yùn)行以進(jìn)行調(diào)試及應(yīng)用。FPGA有多種下載配置模式，本設(shè)計主要采用AS模式。

AS模式是將下載文件先放在外掛的加載芯片中，每次上電后FPGA會自動從加載芯片中調(diào)用加載信息，然后存到FPGA的SRAM中去，對FPGA進(jìn)行配置。當(dāng)設(shè)計完成，調(diào)試無誤時，應(yīng)當(dāng)用此模式進(jìn)行FPGA的配置。

AS下載需要AS配置芯片。本設(shè)計采用的存儲器為EPCS16，它與FPGA的接口為4個信號：DCLK為串行時鐘輸入;ASDI為控制信號輸入;nCS為片選信號;DATA為串行數(shù)據(jù)輸出。AS模式下載電路實現(xiàn)原理圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要功能是發(fā)送一個光脈沖信號，經(jīng)過耦合器耦合后注入待測光纖，由待測光纖反射回來的反射光再送入數(shù)據(jù)采集和處理模塊。

具體實現(xiàn)過程：首先FPGA產(chǎn)生一個脈沖信號，經(jīng)過脈沖放大器放大后，再連接到光電器，轉(zhuǎn)換成特定波長的光脈沖，將光脈沖注入待測光纖，這時會產(chǎn)生瑞利散射和菲涅爾反射，再由耦合器的輸出端送入光電探測器，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，隨后送入到運(yùn)算放大器進(jìn)行放大后送入數(shù)據(jù)采集與處理模塊。圖3所示為脈沖放大電路，主要實現(xiàn)對脈沖信號進(jìn)行放大處理。

如圖3所示TPS2817為單通道高速M(fèi)OSFET驅(qū)動器，可以提供高達(dá)2 A的峰值電流，可達(dá)納秒級的開關(guān)速度，輸入回路中包括了有源上拉電路，采用集電極開路方式驅(qū)動MOS管。電源電壓最大為30 V，電源電壓最小為2.75 V;當(dāng)輸入的脈沖信號接入輸入端口IN，TPS2817相當(dāng)于一個功率驅(qū)動器，可將脈沖信號進(jìn)行功率放大。

3 測試結(jié)果及分析

首先檢測系統(tǒng)發(fā)射一個光脈沖信號，這個光脈沖在遇到斷點、接頭、熔接點以后會反射回來，如果檢測系統(tǒng)能夠精確地測量回波時間，就可以利用下面的公式計算出距離L。

其中，c為光速，t為光脈沖從發(fā)射到接收的總時間，稱為回波時間，f為采樣率，N為總采樣點數(shù)，[!--empirenews.page--]

n為待測光纖的折射率。測試結(jié)果如下：橫坐標(biāo)表示待測光纖的長度，縱坐標(biāo)代表測量反射光得到的相對光功率。整個光纖網(wǎng)的故障可分為反射事件和非反射事件。

光纖中的熔接頭和微彎都會帶來損耗，但不會引起反射。在測量結(jié)果曲線上，這兩種事件會以在背向散射電平上附加一下突然的下降臺階的形式表現(xiàn)出來。那么在豎軸上的改變即為某一事件的損耗大小。

活動連接器，機(jī)械接頭和光纖中的折裂都會同時引起損耗和反射。損耗的大小同樣是由背向電平值的改變量來決定。反射值(通常以回波損耗的形式表示)是由背向散射上反射峰的幅度所決定的。